2023年11月27日
文章
墨水和油漆是我们每天都会接触到的两种材料，主要用于书写和印刷、抵御风雨、美观等。我们的历史记录在很大程度上就是由这些物质创造的。那油漆和墨水是如何生产的？生产过程中需要采取哪些质量控制措施？本篇博客文章将简要介绍这一行业的历史、生产过程，以及如何将近红外光谱用作其多参数质量控制解决方案。
油漆是一种以液体或糊状形式涂抹的物质，干燥后会形成一层固体涂层。这种涂层可以保护被涂物体或其表面，并/或为其增色。
墨水是一种基于颜料或染料的液体，用于书写、印刷等。
点击下方箭头，了解这两种材料的起源和历史。
许多文化都有自己独立配制的墨水，通常以火坑里剩下的烟灰（颜料）与水（载体）为基础。事实上，这种简单的成分就是印度墨水的基础，至今仍在使用。
至少在4500年前，中国人和埃及人就发明了经久耐用的墨水配方，这些墨水以植物、动物和矿物为原料。在中世纪之前的欧洲，墨水也是用黑色碳粉和水再加上阿拉伯树胶或其他粘合剂制成的。
最终，罗马人发明了一种更好的配方，即铁胆墨水。铁胆墨水由硫酸亚铁（II）（FeSO4）、鞣酸和阿拉伯树胶制成，制作过程相对容易。这种永久性墨水一直沿用到二十世纪中期化学墨水开始流行为止。
十五世纪40年代，由于印刷机的发明，亟需一种新型墨水，因为水性墨水不适用于高质量的印刷。因此，人们又发明了可以更好地附着在印刷表面的油性墨水。
油漆是一种液态颜料，用于装饰或保护物体表面。由于最早的油漆出现在有文字记载的历史之前，因此很难确定最早的油漆是何时制造的。关于油漆使用最古老的记录是洞穴壁画，如：在法国、西班牙和南非发现的洞穴壁画。这些原始油漆是通过研磨颜料物质（如，赭石），然后与简单的液体粘合剂（如，鸡蛋）混合制成，粘合剂可以帮助颜料粘在石头等物体的表面上。
水性漆在历史上一直被用来创作永恒的艺术作品，例如：古埃及人使用大胆、鲜艳的色调来装饰他们的墓室。几个世纪后，米开朗基罗用简单的粉末颜料与水混合绘制了著名的《西斯庭教堂天顶画》（壁画）。
油性漆早在公元600年时就已出现，在阿富汗发现的洞穴壁画中就可以看到。这种油漆以干燥的油代替水，还可能含有其他改性剂。油性漆也被用于艺术创作（如，达芬奇的《蒙娜丽莎》、梵高的《星月夜》），同时它们也因保护性原因而受到欢迎，如：防水木材。
天然颜料一般来自植物、矿物或粘土。合成颜料则是通过化学、加热或其他加工技术制成的，其颜色的种类要更加丰富。天然颜料和合成颜料都可分为有机颜料和无机颜料。
载体/粘合剂也有天然和合成之分。过去，油性漆经常使用亚麻籽油作为载体。20世纪初，人们发明了人工醇酸树脂，并将其用做载体。醇酸树脂价格便宜，易于制造，保色性好，经久耐用。后来，丙烯酸和乳胶等聚合物油漆被开发出来，并一直流行至今。
合成粘合剂的使用使得油漆的干燥速度快、泛黄趋势低、外观和操作性能范围广。在乳液配方中，合成粘合剂还无需使用有机溶剂作为稀释剂。
油漆通常由颜料、树脂、溶剂和添加剂组成。
颜料用于提供颜色和控制光泽度。颜料体积浓度（PVC）越低，表面越光亮，而颜料体积浓度（PVC）越高，表面越平整。
树脂是一种粘合剂，可将颜料颗粒粘合在一起，并提供与被涂表面的附着力。
溶剂是颜料和树脂的载体。它可以是有机溶剂，也可以是水性溶剂。
添加剂用于增强某些性能，如：易刷性、防霉性、耐磨性、干燥性和抗流挂性。
油漆的生产过程可以分为四个基本步骤。首先，制作色浆（图1）；然后，研磨和分散颜料，均匀色浆（图2）；第三步，稀释色浆（图3）；最后，包装成品（图4）。
不过，不同的配料均需对生产工艺进行调整，图中的例子只是一个概括。油漆是以批量生产的方式制成的，在整个生产过程中都要进行严格的测试，以确保质量。
墨水和油漆的质量控制可在其生产过程中的各个阶段使用近红外光谱轻松完成。与其他分析方法相比，使用近红外光谱进行墨水和油漆的质量控制和产品筛查更高效、更经济。
本篇博客文章的剩余部分将简要介绍近红外光谱及其在墨水和油漆行业的应用，并举例说明了墨水和油漆生产商如何从使用近红外光谱仪进行质量保证和质量控制中获益，从而生产出高质量的产品。
近红外光谱是一种利用光与物质间的相互作用来测定样品化学参数和物理参数的分析技术。在这种情况下，光是通过波长或波数来描述的，而非能量。例如，可以使用瑞士万通DS2500近红外光谱液体分析仪（图5a）来测量这种相互作用，生成近红外光谱图（图5b）。
由于对某些分子官能团的存在十分敏感，近红外光谱是定量分析许多化学参数的理想技术，可同时测量油漆或墨水中的非挥发物含量、挥发性有机物、染料含量、表面活性剂含量和水分。此外，近红外光谱还可以测量密度和粘度等物理参数。
所有这些信息都包含在一张近红外光谱图中，因此近红外光谱十分适用于快速多参数分析。
近红外光谱的测量模式取决于所要分析的样品类型。
分析液体时，适合采用透射模式（图6）。在透射过程中，近红外光在穿过样品时被部分吸收，未被吸收的近红外光直接进入检测器。
在分析糊状物时，适合采用透反射模式（图7），此处需使用一个镀金反射器作为漫反射镜。这种情况下，近红外光穿过糊状样品时被部分吸收，经镀金反射器反射后，进一步被样品吸收，末尾到达检测器。
与其他分析技术相比，近红外光谱具有多项显著优势，尤其是在质量控制和产品筛查方面。
分析速度快，不到一分钟即可获得结果；无需样品前处理，可以节省大量时间；无损分析，样品可以重复使用；无需使用化学试剂，不仅节约成本，而且绿色环保。
近红外光谱技术还符合国际标准，如： ASTM E1655《红外多变量定量分析标准规程》，这使得各行业更容易采用该技术。此外，与其他复杂的分析技术不同，近红外光谱技术的使用十分简单，即使是非专业人员也可轻松操作。
墨水和油漆产品需要通过多种标准化测试方法来测定其化学性质和物理性质，这种实验室测试是产品研发和质量控制不可或缺的一部分。表1列出了与墨水和油漆的质量控制和产品筛查相关的测试参数。
接下来的章节，我们将举例说明近红外光谱同时分析同一样品中多个参数的能力。
表1. 墨水和油漆的各项质量控制和产品筛查参数及其传统分析方法。
| 参数 | 传统分析方法 |
|---|---|
| 特性粘度、运动粘度 | 粘度计 |
| 水分 | 卡尔费休滴定 |
| 表面活性剂含量 | 滴定 |
| 非挥发物含量 / 固体含量 | 干燥失重 (LOD) |
| 染料含量 / 颜料含量 | 灰化 |
| 挥发性有机物 (VOC) | 多种湿化学方法 |
| 包装油漆中的添加剂和蜡 | HPLC 、 GC |
在墨水的生产过程中进行质量控制检查时，需要测量的典型参数是：染料、二甘醇（DEG）、表面活性剂和水分的含量。染料（如，三苯基甲烷/酚嗪或偶氮染料）赋予墨水颜色；二甘醇用作溶剂，防止墨水变干；表面活性剂可控制质地，防止墨水起泡。
这些参数通常需采用多种不同的分析方法进行监测，包括：灰化、滴定和卡尔费休滴定。这些分析方法的样品前处理过程十分耗时，而且同时使用多种分析方法还会造成高负荷的工作量。而近红外光谱则可同时测量墨水的多项质量控制参数，且可在一分钟内快速获得结果。
图8显示了多个墨水样品的近红外光谱图，图9则显示了近红外光谱预测染料含量的相关图。表2列出了近红外光谱预测墨水中染料、二甘醇（DEG）、表面活性剂和水分的相关模型参数。
表2. 使用瑞士万通DS2500近红外光谱固体分析仪测量墨水样品中多项质量控制参数的相关模型参数。
模型参数 |
染料含量 |
二甘醇含量 |
水分含量 |
表面活性剂含量 |
| R2 | 0.996 | 0.993 | 0.991 | 0.977 |
|---|---|---|---|---|
| SEC | 0.0835% | 0.5037% | 0.5571% | 0.0368% |
| SECV | 0.0949% | 0.5888% | 0.9614% | 0.1316% |
油漆干燥剂可以缩短油漆的干燥时间，还会影响涂层的光泽度和透明度。在这种情况下，主要的质量控制参数是：金属含量、固体含量、粘度和比重。
ASTM D2373、ASTM D1644,、ASTM D5125、和 ASTM D2196分别规定了这些参数的所有参考测试步骤，每项标准均需使用不同的分析仪器进行测量：天平和烘箱、电位滴定仪、比重计和粘度计。相比之下，使用近红外光谱同时测量所有这些参数，不仅可以节省大量时间，还可以大幅降低分析成本。
表3. 使用瑞士万通DS2500近红外光谱液体分析仪测量油漆干燥剂样品中各项质量控制参数的相关模型参数。
模型参数 |
钴含量* |
固体含量 |
比重 |
粘度 |
| R2 | 0.999 | 0.999 | 0.977 | 0.999 |
|---|---|---|---|---|
| SEC | 0.08% | 0.24% | 0.003% | 9.3 MPa |
| SECV | 0.09% | 0.29% | 0.003% | 10.9 MPa |
近红外光谱是对墨水和油漆从原材料到成品的整个生产链进行质量控制和产品筛查的理想选择，它拥有其他分析技术无法匹及的显著优势——对同一样品进行多参数分析，一分钟内快速获得结果，节省大量的时间和金钱。
传统实验室分析技术通常需要进行样品预处理，或使用化学试剂，或要求专业人员进行操作，且每个参数需要在不同的仪器上进行测量，因此需要较长的时间才能获得结果。
对质量控制过程的低估是导致内外部产品不合格的主要因素之一，据报道，这会导致10-30%的营业额损失。因此，国家制定了许多不同的标准来支持制造商解决这一问题。不过，由于获得结果的时间较长，且化学试剂的相关成本也非常高，这使得许多公司在其质量控制过程中选择使用近红外光谱仪。本白皮书阐述了近红外光谱的潜力，并展示了其可节约高达90%成本的巨大潜力。
分享文章
